面向电子信息类的生物医学工程导论课程建设

面向电子信息类的生物医学工程导论课程建设

在知识互相碰撞的时代，随着生物医学和信息学的快速发展，人们对健康的重视程度明显提高，以生物医学和信息技术融合为主的新一代“智慧健康”技术创新已成为影响未来信息产业发展方向的关键因素。信息技术和生物医学的交叉融合不但能提升传统的学科水平和层次，更重要的是，两个学科的相互碰撞出的产物也将引领新一代医学技术的发展，推动科学进步。

近年来，生物医学工程作为多学科相互作用融合而成的交叉学科，其知识更新和增长更为迅猛，得到了国家的重视。在国家发展和经济建设中具有重要的战略地位，是医疗卫生事业发展的重要基础和推动力量。在国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，提出要加快推动数字产业化，对于一些生物医学领域相关的产业，应积极开展智慧医疗，促进共享经济、平台经济健康发展。对于各大高校，应积极响应国家重大需求，加强信息科学与生命科学等基础学科的交叉创新，顺应生物医学领域的高速发展。

生物医学工程作为理、工、医相结合的高度综合性边缘交叉学科，它融合了电子信息、计算机、生物工程学等专业的特点，运用医学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度来研究生物体特别是人体的结构特征和生命现象，进而高效地解决生物医学领域中的一系列科学问题。由于生物医学工程涉及到多个学科的交叉融合贯通，涉及到的技术比较密集，导致相较于其他学科，对生物医学工程专业研究生的培养具有一定的挑战性。如何在知识的多学科交叉，研究生的多专业交叉的背景下，培养适应我国现代社会发展要求的复合型高层次人才是我们面临的新问题。

课程建设面临的挑战

生物医学工程是一个结合了多个专业多个学科的新兴学科，其不仅涉及到医学、生物工程学，还涉及到了电子信息，计算机、物联网、通信、软件工程等信息领域的学科内容，具有知识范围广、涵盖面积大、交叉性强等特点。《生物医学工程导论》和《生物医学信号处理》是面向云南大学生物医学工程专业研究生开设的专业核心课程。主要介绍人体的基本结构、心脏和循环系统(人体心脏的电传导系统)、基本的测量原理、生医信号中的信号与噪声、疾病检测中运用的电极、传感器和换能器的原理、生物电子放大器、心电图以及一些人体疾病发生的机理和检测方法。重点培养学生从电信号(生物信号)的角度利用信号分析的方法分析、凝练、解决相关医学问题的生医工交叉型思维和科研能力，为后期从事与生物医学领域有关的科研工作或工程实践夯实基础。

对于培养的研究生来说，生物医学工程专业招收来自电子信息类学科、计算机软件类学科的研究生。对于这些研究生来说，他们都缺乏或不具备生物工程学专业，甚至是医学专业的基础知识。此外，对于来自电子信息类专业的研究生，本科课程主修的是偏通信和信号处理方面，对于计算机方向新兴的如人工智能、深度学习等相关技术相对陌生；对于来自软件工程、计算机专业的研究生，本科课程主修的是软件编程和大数据分析等相关知识，而对于信号处理，通信组网，计算机理论方面的知识基础较弱。

在医学诊断中比较看重经验的积累，而在工科研究特别是信号分析中更多的是根据理论基础对客观事实进行定性和定量的分析。在生物医学工程领域，往往在工程理论分析中的最优解并不是医学问题中的最优解，这就需要在“医学”和“工程”两种思维方式之间自由切换。然而，对于传统医学或是工程类课程的常规授课方式，其很少会涉及对学生交叉思维方式的培养，导致学生毕业后对一些生医工交叉性较强的工作适应比较慢，创新能力不足，摸索时间较长。

“生”“医”“工”的交叉融合

我校生物医学工程系贯彻落实教育部“新工科”建设指导思想和我校教育教学改革理念，推进生物医学工程理论与综合设计实验课程建设，通过建设“交叉性”理论课程和“挑战性”实践课程，着力激发学生创新思维、体现学科交叉特色、促进实验教学与科研互动，培养学生“医”“工”交叉思维。

“生”“医”“工”的理论交叉

为了解决来自信息领域专业的研究生缺乏医学和生物工程学基础知识的问题，我校依托与学校合作医院丰富的医学教学资源和充足的临床资源，聘请合作医院有经验的老师到学校为生物医学工程专业的研究生授课。以真正的临床问题为核心，摒弃传统的单一理论原理教学，结合工程问题开展研究型教学。在授课过程中反复“医”“工”切换，训练研究生的思维方式，使其逐渐形成“临床疾病(医学角度)–数理分析(临床与工程相结合)–工程问题–工程解决方案–临床解决方案”的医工交叉型思维，结构图如图1所示。

图1.“医”“工”交叉型思维结构图

在“医”“工”交叉型思维结构中，除临床问题外，每一个模块均受到《生物医学工程导论》课程的指导。将临床案例引入课程教学中，根据案例结合自己之前的专业背景来更深入地理解信号处理对生物医学的重要性，激发学生的学习激情。在这样的模式中教学，可以更好地使生物医学工程专业的研究生高效快速地适应生物医学与电子信息的交叉，弥补生物工程学和医学基础知识不足的短板，让研究生理解电子信息和生物医学是如何进行交叉，并掌握使用电子信息的专业知识来分析临床的疾病的能力。

同时，在电子信息课程中，以生物医学信号处理的基本概念和基本原理为主线，精炼教材内容，在介绍信号处理分析的方法和原理的基础上，重点介绍常用的信号处理分析方法，最后在这些理论知识的基础上来理解生物医学信号的特点和处理方法，明确医学信号研究的意义，结合自己本科的专业背景来理解生物医学信号，从而做好学科交叉的工作。

“生”“医”“工”的实践交叉

为全面落实生物医学工程的“医”“工”交叉工作，培养复合型人才，学院每年均开设“生物医学工程综合设计”课程，主要面向生物医学工程专业一年级的研究生。为学生提供去医院学习的机会，将实验室中的创新性研究带到临床诊断中，结合理论所学知识，实地操作生物医学仪器，领略学科前沿并激发创新思维。

在开学前，我院老师应主动与合作医院的B超科室的医生代表沟通，邀请其讨论前沿科研与实践内容，设计出一套适合一年级研究生的实验方案。成立课程指导教师组，有相关科研方向的教授代表、研究生代表以及课程负责教师、教学实验医生组成。开学后，研究生分批次到合作单位进行实地实践。在实践过程中，主动向指导教师组成员请教，面对面开展师生互动交流。前期以观摩为主，学习大型超声采集系统的使用方法，了解B超的成像原理，同时应向指导教师学习如何从B超图像上观察病灶区域，了解各类疾病的病灶区域的判断方法与标准，从实践中学习临床知识；后期以动手为主，以离体组织或是体外模型为对象，在专业医生的指导下，自主动手实践，学习掌握超声采集系统的检测方法。这一过程使学生能够“沉浸式”体验生物医学工程专业在临床方面的应用，以及了解一些前沿科研的进展，有利于开阔视野，为之后的科研工作奠定良好的研究背景。

要求学生认真记录关键问题、解决思路、测试数据及阶段性成果等，每周提交书面的进展报告，以便教师合理掌控实验教学进度、开展针对性的辅导，准确评估每位学生的具体贡献。在实践的最后，应每人撰写一个实践报告，报告内容包括实践所涉及到的大型超声系统的成像原理、使用方法，临床疾病诊断，病灶区域的特征以及如何判断这些疾病，最后总结在整个实践活动中的收获、对生物医学工程专业的理解，以及对自己之后科学研究工作的思路和计划。

同时，为激发学生的创新能力，积极鼓励学生参加“互联网＋”、“研究生电子设计大赛”以及“全国大学生生物医学工程创新设计大赛”等相关赛事，做到“所学即学其所用，所用即用其所学”。在比赛的过程中，将生物医学与电子信息的知识相结合，培养学生的“医”“工”交叉思维、创新思维以及动手能力。

结语

多学科交叉对科学技术和人类社会的发展起到了积极的推动作用，同时也为高素质创新型复合人才培养提供了良好的平台。本文提倡理论与实践结合的教学方式，将工程与临床医学的研究和教育相结合，把实验室中的创新性研究带到临床诊断中；将临床案例和经验带到实验室中进行创新研究，从而形成从实验室到临床，从临床医生到工程学家的环路。在理论教学过程中培养学生的“医”“工”思维，在实践教学中培养学生运用“医”“工”思维解决实际问题的能力，为学生后续的研究工作打下坚实的基础。